摘　要：随着"数字地球"这一概念的引入，数字化管道已成为管道建设、施工和运营中的一个新理念。为了满足各项目公司建设数字化管道的生产需求和生产运营管理的实际需要，结合目前国内外管道数字化的发展现状，气电集团開展了天然气管网数字化技术研究与推广应用。研究结合气电集团实际情况，确定了管道数据模型，制定了气电集团管网数字化建设的标准与指南。以一个已建项目和一个新建项目作为依托，开展了示范工程的实践和成果推广，检验和完善了数字化建设的标准与指南。在天然气管网数字化技术研究基础上发布的企业标准已经应用到气电集团的各个项目公司，并且效果良好，有效地指导和规范了管道数字化项目的建设。天然气管网数字化技术研究与应用有助于规范气电集团各项目的数字化建设，提高天然气管网项目的建设和运营管理水平。
　　
　　 关键词：天然气　管网　数字化　技术　研究　应用
　　一、背景概述
　　数字管道[1] （或者数字化管道，Digital Pipeline）的核心思想是用数字化手段整体性地解决管道设计、建设、运营中的问题并最大限度地利用信息资源为管道生命期服务。数字管道就是信息化的管道，它包括全部管道以及周边地区资料的数字化、网络化、智能化和可视化的过程。
　　在欧美发达国家，数字管道已经得到了广泛的实际应用。例如，美国交通运输部管道安全局建立了“全国管道制图系统NPMS”，包含全美所有油气长输管道与LNG设施的位置和属性数据，以及人口、地质灾害、高危区、水文、交通网络等相关数据。此外，联盟管道、德国Ruhr、意大利SNAM、荷兰GasUnie、美国El Paso等大型专业管道公司纷纷在其管道建设、运营中大量运用数字管道技术。
　　国内从冀宁联络线开始正式提出建设“数字管道”[2]，随后陕京线/陕京二线（中石油）、西部原油成品油管道（中石油）、港枣线（中石油）、气电集团大鹏LNG（中海油）等都开展了数字管道的研究与实践，取得了一定的成果和经验[3]。
　　气电集团拥有运行、在建和规划的LNG接收站和管道项目十余个，众多项目公司出于对管网、LNG接收站等的安全性、可靠性及生产运营管理的实际需要，纷纷提出建设数字化管道的生产需求，这同时也是SY/T-6621输气管道系统完整性管理中的明确要求。但是，气电集团并没有一套统一的数字化管道建设标准和规范，为了在集团范围内建立统一的数字化标准和建设指南，以期加强协调指导，提高各项目实施数字化的效率和效益，为安全、环保、可持续运营的目标提供有力的技术支持，经过论证，气电集团2008年向中国海洋石油总公司申请立项，开展“天然气管网及LNG接收站系统数字化技术应用研究”课题，得到了总公司的批准。
　　本文将主要讨论天然气管网数字化技术研究及应用。
　　二、研究内容及成果
　　1.研究内容
　　天然气管网数字化技术研究内容[4]分为如下五个方面：
　　1.1管道系统数字化技术研究、应用系统与接口研究；
　　1.2已建和新建项目数字化实施方案研究；
　　1.3管网数字化建设技术规范、建设指南的研究与编制；
　　1.4示范工程建设；
　　1.5实施风险评估及应急措施。
　　管道系统数字化技术研究主要包括：空间数据采集技术、地理数据坐标系的处理技术、数据质量控制技术、长输管道数据模型研究、管线探测技术、管道测量技术、GIS与SCADA集成、GIS平台选型。
　　应用系统与接口研究主要包括：APDM模型建库方案、天然气管道GIS系统设计方案、施工数据采集管理系统设计方案、线路巡检系统设计方案、GIS与EDMS系统接口方案、GIS与EAM系统接口方案、GIS与SCADA系统接口方案。
　　总体的技术研究对数字化的技术体系提出框架性的方案，在此基础上确立数字化的标准范围，特别是关于数据、应用系统、组织实施等方面的标准，并编制相应的数字化建设技术规范、建设指南、总体实施方案和风险及应对方案，并依据总体实施方案开展示范工程建设，通过示范工程建设对建设标准、指南和实施方案等不断修改、完善。
　　2.研究成果
　　经过研究共编制完成32份研究报告；1套“天然气管网系统数字化技术规范”标准；1套“天然气管网及液化天然气（LNG）接收站系统数字化建设指南”；完成两个示范工程建设和一项发明专利。研究成果具有以下先进性和创新性：
　　2.1研究领域和研究思路的创新：不但对“数字管道”领域进行了系统、全面的研究，还将研究领域扩展到LNG接收站领域，研究编制的LNG接收站数字化建设的标准和指南，在国内处于领先水平。
　　2.2标准编制路线的创新：在进行基础研究的同时，将研究成果上升为企业标准——《天然气管网系统数字化技术规范》并发布，用于指导气电集团天然气管网系统数字化建设，此天然气管网技术规范在国内属于首创。此标准应用到了中山示范工程的数字化建设，通过示范工程发现标准中存在的问题，进行修订和完善，使标准更具实用性。
　　2.3数据采集方法和技术以及系统软件的应用功能创新：对数字管道所涉及的多种数据从采集范围、采集方法、质量要求，处理过程等方面分别做了详细规定；对数字管道中的必要应用系统，从系统结构、系统要求的软硬件配置、系统的功能要求等方面对不同的应用系统，详细设计了各自的功能。
　　2.4已建与新建管道实施方案的创新：已建和新建管道实施数字化建设最主要的区别是施工期的数据采集，尤其是隐蔽项的数字采集工作。针对管道建设的实际情况，研究对新建管道和已建管道分别设计了数字化实施方案，可操作性强。
　　三、应用实践及效果
　　1.示范工程的最佳实践
　　管网数字化的技术标准编制完成后，结合一个已建项目和一个新建项目作为应用实践的依托，开展示范工程建设，以检验和完善数字化建设的总体实施方案和标准。
　　2008年6月中旬，实地调研了中山、珠海、深圳多个管道项目，经过对项目规模、现有技术条件和对GIS的认识等方面综合对比分析，初步选定中海中山天然气公司（以下简称“中山天然气” ）作为应用实践的试点单位来进行示范工程。
　　中山天然气已建成一条17.3km的试验管道，于2007年开始正式投产。另外要新建一条管道，长48km，口径为508mm，于2008年10月开始施工。根据《天然气管网及LNG接收站系统数字化技术应用研究》建立的“标准体系”的要求以及“建设指南”的方法和步骤，进行中山新建管道和已建管道各3公里的管道和站场完整性数据采集与建库，并以数据库为基础进行应用系统的建设。
　　示范工程主要开展了以下工作内容：
　　建设管道完整性数据库；
　　开发、部署管道GIS系统；
　　站场及站场外三维模型；
　　实现GIS与管网监控平台的集成。
　　1.1 管道完整性数据库
　　1.1.1APDM模型
　　管道设施数据建模是数据库和应用的基础，模型的好坏会影响到系统性能效率、功能的实现方式、应用的通用性、数据库的移植和交换等。数据模型应满足三方面的要求：能比较真实地模拟现实世界；容易理解；便于在计算机上实现。国际上现有的管道数据模型主要有两种：管线开放数据标准（PODS）与ArcGIS管道数据模型（APDM）。由于PODS推出的时间较长，又是源自ISAT模型，因此在国外的应用案例比较多[5]。在实际管道工程中，需要根据数据、GIS平台等情况来选择管道数据模型。但由于APDM与GIS的结合更加紧密一些，根据国内应用的特点，采用APDM模型的项目多于PODS。在国内模型实施与GIS建设往往是作为一个项目来实施的，因此必须要考虑模型的与GIS的集成（也就是模型的空间化）。PODS模型是一个纯粹的关系型模型，不包括任何空间数据及其关系，因此在部署模型的时候，必须要考虑模型的空间化。而APDM模型本身提供了与GIS集成的方法。在认真、全面对比研究这两种模型[6]之后，采用了APDM模型。 　　APDM是基于ESRI Geodatabase技术的长输管道模型。APDM包括核心（Core）和备选（Optional）两大部分，核心部分的目标是提供一系列的核心对象及其属性，来描述和有效地处理里程线性定位，再加上一组核心的抽象类，为绝大多数管道要素提供分类；备选部分则根据行业最佳实践提供了若干管道设施的模型。此研究结合实际情况对APDM模型进行了修改和定制，建立符合完整性需求的数字管道模型库，为后期管道运营和业务决策奠定数据和应用基础。
　　1.1.2数据采集
　　数字化管道的核心是管道信息数据库[7]，数据的采集是实现管道数字化建设的基础，获得准确、完整、规范的管道数据是管道数字化建设成功的关键。通过示范工程，完成基础地理数据、特征地理数据、管道路由数据、设备设施数据、管道运营数据等数据的入库工作，建成一个完整的数字管道数据库。内容包括：
　　1.1.2.1管道设施数据本身，如管道中线和站场的地理位置坐标，管道设施属性、管道施工过程（如焊接、检测过程）等内容；该数据应在施工过程中以及竣工测量阶段完成采集；
　　1.1.2.2管道建设期数据。新建管道伴随整个管道建设采集管道位置数据、施工记录、检测记录等等。已建管道主要从中山天然气提供的设计、施工和竣工资料中提取；
　　1.1.2.3管道运营数据，包括管道运行的SCADA数据以及历次检测的数据等内容；
　　1.1.2.4可能会影响管道建设和运营的背景数据。包括管道沿线的地质、水文、交通、环境、土壤等自然和人工设施的数据采集和建库；
　　1.1.2.5应急支持数据。当管道運行出现事故，需要调用的数据，包括管道周边的人口分布、文教卫信息、警力、消防、卫生、行政单位等相关地理位置、联系方式以及其它相关信息。
　　1.2管道GIS系统
　　管道GIS平台是管道数字化的基础，它不仅仅提供基本的管道路由管理、地图可视化、查询定位等功能，其强大的数据管理和分析能力能够为数字管道提供最基础的数据入库、管理、显示、更新等功能，更是巡检与线路管理、设备抢维修、应急、完整性管理等应用的基础。气电集团管网数字化研究采用ArcGIS平台进行数字化管网系统开发。
　　1.2.1ArcGIS平台具有以下特点及优势：
　　1.2.1.1产品类型丰富，个性化定制功能强，可以满足管网系统开发中的多方位的个性化需求；
　　1.2.1.2支持全系列的操作系统，适用于多种数据库；
　　1.2.1.3集成性强，开发的管网系统可以实现与其他信息系统无缝集成；
　　1.2.1.4ArcGIS具有可伸缩性，灵活的组件式平台不仅满足了根据实际情况进行组合式开发的需要，而且保证了系统开发可分步实施；
　　1.2.1.5ArcGIS产品性能稳定，售后服务优良，具有很高的市场占有率，这将是管网系统开发顺利进行的有力保障。
　　1.2.2示范工程的管道GIS系统实现了以下功能：
　　1.2.2.1各类数据的整合建库功能，系统可将各类不同格式、不同坐标和比例尺的空间数据整合成一个管道数据中心，用以支持管道建设和运营；
　　1.2.2.2系统管理管道建设及运营阶段的各类数字化成果，包括采集的施工过程数据、勘查数据、设计数据以及管道运行数据等内容，能够浏览、查询管道各类图形和属性数据，提供的功能包括：
　　1.2.2.2.1测距、测面、点查询、多边形查询、图形控制、鹰眼等GIS基本功能；
　　1.2.2.2.2图层及视图控制；
　　1.2.2.2.3快速定位及查询；
　　1.2.2.2.4能够通过管道关联查询设计图、施工图及站场工艺流程图；
　　1.2.2.2.5管道三维浏览和查询。
　　1.2.2.2.6管道设施（如：钢管、焊口、纵断面），附属设施（如：穿越、阴保、地下障碍物、三桩、套管、弯头），相关文档（如：设计图、设计文档、竣工图）等的查询，并提供数据的统计功能，生成饼图、柱状图等；
　　1.2.2.2.7站场阀室的查询定位功能、区域的布置图的查询功能、文档的查看功能等；
　　1.2.2.2.8应急联络单位（如：政府机构查询、医疗单位查询、公安机关查询、消防单位查询、供电查询、供水查询）的查询；资源专题展示了应急单位在中山市的分布情况等信息。
　　1.2.2.3系统能够为其他管道应用提供基础数据支持和功能支持，包括抢维修、腐蚀监测、完整性管理、应急等。
　　管道GIS系统主界面如图1所示： 图1-1：管道GIS的系统主界面图 图1-2：资源专题图
　　1.3 站场及站场外三维模型
　　利用先进的三维建模技术和工具，开展建模工作，建成站场及站场外三维模型，三维建模能够提供可视化场景与直观的视觉效果，为管道系统的运营、仿真、应急提供真实、可视化的数据，用户可以任意在二维或者三维的场景下进行操作，查询想要的数据。图2为站场三维模型的示意图： 图2-1：三维界面
　　1.4 GIS与管网监控平台集成
　　示范工程实现了与SCADA系统的接口建设。系统在保证SCADA系统的绝对安全的前提下，可通过接口从SCADA的历史数据库中读取所需的数据到管道数据库中，并展示在管网GIS中。利用GIS管理中山管道SCADA系统，获取系统传回的实时监控运行数据。管网监控平台实现功能如下：
　　1.4.1利用基于地图的、与站场所关联的工艺流程图，调阅和叠加显示SCADA实时数据，按指定时间间隔刷新显示；
　　1.4.2严格保证安全：通过专用服务器连接到SCADA生产网络，只进行读数据操作，该服务器仅开放只读数据接口；
　　1.4.3一旦SCADA控制数据超限，系统会在相应位置闪烁，并提供处理预案。SCADA专题可以显示所有的SCADA监控点，并进行SCADA监控点的查询与定位。图2-2：站场三维模型
　　2.实践效果及成果推广
　　2.1 实践效果
　　示范工程段已于2009年11月成功上线运行并通过验收。研究成果最初用于指导和检验中山天然气试验段和近期各3公里的管道以及南朗综合门站的数字化建设。由于实施效果很理想，中山天然气决定在示范工程的基础上，将数字化管道范围扩展至试验段（17.3km）和近期段（47.5km）全线。“中山市域天然气利用工程数字化管网系统”项目已于2009年11月通过验收，并已全部成功上线运行。中山数字化项目在管道建设过程中，跟随管道施工进行了管道路由数据的采集，为管道定位提供了数据保障；施工过程中建立了数据填报制度，规范了施工单位、检测单位、测量单位的活动，间接监督了施工过程，提高了施工质量和施工过程管理水平；基于线性参考系（里程/桩）的带状图或数据表，能够精确地表达管道上各类设施设备、或者腐蚀/泄漏等各种事件或现象的位置和相互关系，提高了工作人员的分析能力；数字化管网系统建立了数据共享的平台，在权限控制体系下，能够实时地提供权威、标准完整的数据，有助于打破部门之间沟通与协调的壁垒，简化资料共享的流程和环节；通过信息资源的共享和辅助分析功能，减少了管道运营风险，提高了事故应便能力，有助于实现管道的安全、稳定、高效运营。 　　2.2 成果推广
　　继中山天然气数字化管道建成之后，气电集团福建LNG、广东管网、海南管道、广东管道、大鹏LNG合计近1300公里的多个管道数字化建设的招标和建设均不同程度地采用了本研究的标准，直接发挥了标准规范对于实际工作的规范、指导作用。
　　气电集团锦州25-1天然气利用项目拟采用研究成果对规划建设中的天然气液化厂和96公里长输管道进行数字化建设规划；大鹏LNG也将依据本成果研究将其管道数据模型由原先的PODS模型转向APDM模型的可行性。
　　随着气电集团业务的不断扩大，天然气管网数字化技术研究的成果将应用于越来越多的管道建设和运营，制定的标准和指南，将规范、指导管网数字化的规划、设计和建设，为气电集团开展管网数字化建设进行技术准备并积累宝贵经验。
　　四、结语
　　天然气管网数字化技术研究结合气电集团实际情况，确定了管道数据模型，制定了气电集团管网数字化建设的标准与指南。以一个已建项目和一个新建项目作为依托，开展了示范工程的实践，检验和完善了数字化建设的标准与指南。
　　天然气管网数字化技术研究及应用规范了气电集团各项目的数字化建设，做到有据可依、有章可循，提高数字化建设工作的效率和质量；并且通过标准化来提高技术复用程度、实现数据交换与集成能力，提高数字化建设的技术水平和管理水平，并可有效降低数字化建设成本，避免重复投入，降低项目风险，提高天然气管网项目的建设和运营水平。参考文献[1] 王兵坏，吴志平，于铁兵. “数字管道”——管道建设与管理的新理念[J]. 石油工業技术监督, 2005, 21(5):62-63.[2] 李晶. 数字管道技术在川渝地区的应用[J]. 天然气与石油, 2008, 26(4):9-12.[3] 夏红英，李晶. 西南油气田数字管道数据资源建设标准与规范研究初探[J]. 石油石化管线与技术, 2009, 3(3):89-93.[4] 《天然气管网及LNG接收站系统数字化技术应用研究》报告.[5] 吴河勇，熊华平. 石油数据管理与应用国际学术研讨会优秀论文集[C]. 北京:石油工业出版社, 2006.[6] 郭磊，万庆. 基于APDM的长输油气管线数据互操作研究[J]. 测绘科学, 2010, 35(4):125-128.[7] 周昊，王磊，王晓刚，陈军，徐阳初. 数字化管道技术在在役输气管道上的应用研究[J]. 天然气与石油,2007,25(1):3-6.作者简介：刘毓，女，1980年生，工程师；硕士，研究生，2005年毕业于中国石油大学（华东）油气储运专业；现就职于中海石油气电集团有限责任公司（CNOOC Gas & Power Group）生产部，从事生产管理。